На данной фотографии вы смотрите на первое прямое изображение орбит электрона вокруг атома — фактически волновую функцию атома!
Для получения фотографии орбитальной структуры атома водорода, исследователи использовали новейший квантовой микроскоп — невероятное устройство, которое позволяет ученым заглянуть в область квантовой физики.
Орбитальная структура пространства в атоме занята электроном. Но при описании этих микроскопических свойств материи, ученые полагаются на волновые функции — математические способы описания квантовых состояний частиц, а именно того, как они ведут себя в пространстве и во времени.
Как правило, в квантовой физике используют формулы типа уравнения Шредингера для описания состояний частиц.
Препятствия на пути исследователей
До сегодняшнего момента, ученые фактически никогда не наблюдали волновую функцию. Попытка уловить точное положение или импульс одинокого электрона было сродни попытке поймать рой мух. Прямые наблюдения искажались весьма неприятным явлением — квантовой когерентностью.
Чтобы измерить все квантовые состояния нужен инструмент, который может проводить множество измерений состояний частицы с течением времени.
Но как увеличить и так микроскопическое состояние квантовой частицы? Ответ нашла группа международных исследователей. С помощью квантового микроскопа — устройства, которое использует фотоионизацию для прямых наблюдений атомных структур.
В своей статье в популярном журнале Physical Review Letters, Aneta Stodolna работающая в институте молекулярной физики (AMOLF) в Нидерландах рассказывает, как она и ее команда получили структуры узловых электронных орбиталей атома водорода помещенных в статическом электрическом поле.
Методика работы
После облучения лазерными импульсами, ионизированные электроны покидали свои орбиты и по измеренной траектории попадали в 2D детектор (двойная микроканальная пластина . Детектор расположен перпендикулярно к самому полю). Существует множество траекторий, по которым могут перемещаться электронов до столкновения с детектором. Это обеспечивает исследователей набором интерференционных картин, — моделей которые отражают узловую структуру волновой функции.
Исследователи использовали электростатическую линзу, которая увеличивает исходящую волну электронов более чем в 20000 раз.
1. Но начнем мы совсем с другой стороны. Прежде чем отправиться в путешествие к глубинам материи, давайте обратим свой взор вверх.
Например, известно, что до Луны в среднем почти 400 тысяч километров, до Солнца - 150 миллионов, до Плутона (который уже не виден без телескопа) - 6 миллиардов, до ближайшей звезды Проксимы Центавра - 40 триллионов, до ближайшей крупной галактики туманности Андромеды - 25 квинтиллионов, и наконец до окраин обозримой Вселенной - 130 секстиллионов.
Впечатляюще, конечно, но разница между всеми этими «квадри-», «квинти-» и «сексти-» не кажется столь уж огромной, хотя они и различаются между собой в тысячу раз. Совсем другое дело микромир. Разве в нем может быть скрыто так уж много интересного, ведь ему просто негде там поместиться. Так говорит нам здравый смысл и ошибается .
2. Если на одном конце логарифмической шкалы отложить самое маленькое известное расстояние во Вселенной, а на другом - самое большое, то посередине окажется… песчинка. Её диаметр - 0.1 мм.
3. Если положить в ряд 400 млрд песчинок, их ряд обогнёт весь земной шар по экватору. А если собрать эти же 400 млрд в мешок, весить он будет около тонны.
4. Толщина человеческого волоса - 50–70 микронам, то есть их 15–20 штук на миллиметр. Для того чтобы выложить ими расстояние до Луны, потребуется 8 триллионов волос (если складывать их не по длине, а по ширине, конечно). Поскольку на голове у одного человека их около 100 тысяч, то если собрать волосы у всего населения России, до Луны хватит с лихвой и даже еще останется.
5. Размер бактерий - от 0.5 до 5 микрон. Если увеличить среднюю бактерию до такого размера, что она удобно ляжет нам в ладонь (в 100 тысяч раз), толщина волоса станет равной 5 метрам.
6. Кстати, внутри человеческого тела обитает целый квадриллион бактерий, а их общий вес составляет 2 килограмма. Их, собственно, даже больше, чем клеток самого тела. Так что вполне можно сказать, что человек - это просто такой организм, состоящий из бактерий и вирусов с небольшими вкраплениями чего-то еще.
7. Размеры вирусов различаются еще больше, чем бактерий, - чуть ли не в 100 тысяч раз. Если бы дело обстояло так с людьми, то они были бы ростом от 1 сантиметра до 1 километра, и их социальное взаимодействие стало бы любопытным зрелищем.
8. Средняя длина наиболее распространенных разновидностей вирусов - 100 нанометров или 10^(-7) степени метра. Если мы снова выполним операцию приближения таким образом, чтобы вирус стал размером с ладонь, то длина бактерии будет 1 метр, а толщина волоса - 50 метров.
9. Длина волны видимого света - 400–750 нанометров, и увидеть объекты меньше этой величины попросту невозможно. Попытавшись осветить такоей объект, волна просто обогнет его и не отразится.
10. Иногда задают вопрос, как выглядит атом или какого он цвета. На самом деле, атом не выглядит никак. Просто вообще никак. И не потому, что у нас недостаточно хорошие микроскопы, а потому что размеры атома меньше расстояния, для которого существует само понятие «видимости»…
11. Вдоль окружности земного шара можно плотно разместить 400 триллионов вирусов. Много. Такое расстояние в километрах свет проходит за 40 лет. Но если собрать их всех вместе, то они легко поместятся на кончике пальца.
12. Примерный размер молекулы воды - 3 на 10^(-10) метра. В стакане воды таких молекул 10 септиллионов - примерно столько миллиметров от нас до Галактики Андромеды. А в кубическом сантиметре воздуха молекул 30 квинтиллионов (в основном, азота и кислорода).
13. Диаметр атома углерода (основы всей жизни на Земле) - 3.5 на 10^(-10) метра, то есть даже чуть больше, чем молекулы воды. Атом водорода в 10 раз меньше - 3 на 10^(-11) метра. Это, конечно, мало. Но насколько мало? Поражающий всякое воображение факт состоит в том, что мельчайшая, едва различимая крупинка соли состоит из 1 квинтиллиона атомов.
Давайте обратимся к нашему стандартному масштабу и приблизим атом водорода так, чтобы он удобно лег в руку. Вирусы тогда будут 300-метрового размера, бактерии 3-километрового, а толщина волоса станет равна 150 километрам, и даже в лежащем состоянии он выйдет за границы атмосферы (а в длину может достать и до Луны).
14. Так называемый «классический» диаметр электрона - 5.5 фемтометров или 5.5 на 10^(-15) метра. Размеры протона и нейтрона еще меньше и составляют около 1.5 фемтометров. Протонов в метре примерно столько же, сколько муравьев на планете Земля. Используем уже привычное нам увеличение. Протон удобно лежит у нас в ладони, - и тогда размер среднего вируса окажется равным 7 000 километрам (почти как вся Россия с запада на восток, между прочим), а толщина волоса в 2 раза превысит размеры Солнца.
15. О размерах сложно сказать что-то определенное. Предполагается, что они находятся где-то в пределах 10^(-19) - 10^(-18) метра. Самый маленький - истинный кварк - «диаметром» (давайте для напоминания о вышесказанном будем писать это слово в кавычках) 10^(-22) метра.
16. Есть еще такая штука как нейтрино. Посмотрите на свою ладонь. Через нее ежесекундно пролетает триллион нейтрино, испущенных Солнцем. И можете не прятать руку за спину. Нейтрино с легкостью пройдут и сквозь ваше тело, и сквозь стену, и сквозь всю нашу планету, и даже сквозь слой свинца толщиной в 1 световой год. «Диаметр» нейтрино равен 10^(-24) метра - эта частица в 100 раз меньше истинного кварка, или в миллиард раз меньше протона, или в 10 септиллионов раз меньше тираннозавра. Почти во столько же раз сам тираннозавр меньше всей обозримой Вселенной. Если увеличить нейтрино так, чтобы он был размером с апельсин, то даже протон будет в 10 раз больше Земли.
17. А сейчас я искренне надеюсь, что вас должна поразить одна из двух нижеследующих вещей. Первая - мы можем продвинуться еще дальше (и даже сделать какие-то осмысленные предположения о том, что там будет). Вторая - но при этом двигаться вглубь материи бесконечно все-таки нельзя, и вскоре мы уткнемся в тупик. Вот только для достижения этих самых «тупиковых» размеров нам придется опуститься еще на 11 порядков, если считать от нейтрино. То есть эти размеры меньше нейтрино в 100 миллиардов раз. Во столько же раз песчинка меньше всей нашей планеты, кстати.
18. Итак, на размерах 10^(-35) метра нас ждет такое замечательное понятие, как планковская длина, - минимальное расстояние из возможных в реальном мире (насколько это принято считать в современной науке).
19. Еще здесь обитают квантовые струны - объекты весьма примечательные с любой точки зрения (например, они одномерны, - у них нет толщины), но для нашей темы важно, что их длина тоже находится в пределах 10^(-35) метра. Давайте проделаем наш стандартный «увеличительный» эксперимент в последний раз. Квантовая струна становится удобного размера, и мы держим ее в руке как карандаш. При этом нейтрино будет в 7 раз больше Солнца, а атом водорода в 300 раз превысит размеры Млечного Пути.
20. Наконец мы подошли к самой структуре мироздания - масштабу, на котором пространство становится похожим на время, время на пространство, и происходят разные другие причудливые штуки. Дальше уже ничего нет (наверное)…
В эволюции человека нет «недостающего звена»
Термин «недостающее звено» вышел из обращения в научных кругах, так как связан с ошибочным предположением о том, что эволюционный процесс линеен и идёт последовательно, «по цепочке». Вместо этого биологи пользуются термином «последний общий предок».
Интересные факты о Солнечной системе
Атом (от греч. «неделимый») - некогда мельчайшая частица вещества микроскопических размеров, наименьшая часть химического элемента, которая носит его свойства. Составляющие атома - протоны, нейтроны, электроны - этих свойств уже не имеют и образуют их в совокупности. Ковалентные атомы образуют молекулы. Ученые изучают особенности атома, и хотя они уже довольно неплохо изучены, не упускают возможности найти что-то новое - в частности, в области создания новых материалов и новых атомов (продолжающих таблицу Менделеева). 99,9% массы атома приходится на ядро.
Не пугайтесь заголовка. Чёрная дыра, случайно созданная сотрудниками Национальной ускорительной лаборатории SLAC, получилась размером всего лишь с один атом, так что нам ничто не угрожает. Да и название «чёрная дыра» лишь отдалённо описывает наблюдаемый исследователями феномен. Мы неоднократно рассказывали вам о самом мощном в мире рентгеновском лазере, носящем название
Когда-нибудь видели атомы? Мы с вами из них состоим, поэтому фактически да. Но видели ли вы когда-нибудь один единственный атом? Недавно удивительная фотография всего одного атома, захваченная электрическими полями, победила в престижном конкурсе научной фотографии, удостоивших высшей награды. На конкурс фото попало под вполне логичным названием «Single Atom in Ion Trap» (Один атом в ионной ловушке), а его автором является Дэвид Надлингер из Оксфордского университета.
Британский Научно-исследовательский совет инженерных и физических наук (EPSRC) объявил победителей своего национального конкурса научной фотографии, среди которых главного приза удостоилось фото одного атома
На фото атом представлен в виде крошечного пятнышка света между двумя металлическими электродами, расположенными на расстоянии около 2 мм друг от друга.
Подпись к фото:
"В центре фотографии видна небольшая яркая точка - один положительно заряженный атом стронция. Он удерживается почти неподвижно электрическими полями, исходящими от окружающих его металлических электродов. При освещении лазером сине-фиолетового цвета атом достаточно быстро поглощает и повторно излучает светлые частицы, благодаря чему обычная камера могла сфотографировать его с длинной выдержкой."
"Фото было сделано через окно камеры сверхвысокого вакуума, в которой находится ловушка. Охлажденные лазером атомные ионы представляют собой отличную базу для изучения и использования уникальных свойств квантовой физики. Они используются для создания чрезвычайно точных часов или, как в этом случае, в качестве частиц для построения квантовых компьютеров будущего, которые смогут решать задачи, затмевающие сегодняшние даже самые мощнейшие суперкомпьютеры."
Если вам всё-таки не удалось рассмотреть атом, то вот он
"Идея того, что можно увидеть один атом невооружённым глазом поразила меня до глубины души, являясь своеобразным мостом между крошечным квантовым миром и нашей макроскопической реальностью", - сказал Дэвид Надлингер.
Физикам из США удалось запечатлеть на фото отдельные атомы с рекордным разрешением, передает Day.Az со ссылкой на Vesti.ru
Ученым из Корнеллского университета в США удалось запечатлеть на фото отдельные атомы с рекордным разрешением - меньше половины ангстрема (0,39 Å). Предыдущие фотографии обладали вдвое низким разрешением - 0,98 Å.
Мощные электронные микроскопы, способные увидеть атомы, существуют уже полвека, однако их разрешающая способность ограничена длинной волны видимого света, которая больше диаметра атома средней величины.
Поэтому ученые используют некий аналог линз, фокусирующих и увеличивающих изображение в электронных микроскопах - им выступает магнитное поле. Однако колебания магнитного поля искажают полученный результат. Чтобы убрать искажения, используют дополнительные устройства, которые корректируют магнитное поле, но вместе с тем увеличивают сложность конструкции электронного микроскопа.
Ранее физики из Корнеллского университета разработали устройство Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD), заменяющее сложную систему генераторов, фокусирующих входящие электроны одной небольшой матрицей с разрешением 128х128 пикселей, чувствительных к отдельным электронам. Каждый пиксель регистрирует угол отражения электрона; зная его, ученые при помощи техники птайкографии реконструируют характеристики электронов, включая координаты точки, откуда он был выпущен.
Атомы в самом большом разрешении
David A. Muller et al. Nature, 2018.
Летом 2018 года физики решили улучшить качество получаемых снимков до рекордного до сегодняшнего дня разрешения. Ученые закрепили на подвижной балке лист 2D материала - сульфида молибдена MoS2, и выпустили пучки электронов, поворачивая балку под разными углами к источнику электронов. С помощью EMPAD и птайкографии ученые определили расстояния между отдельными атомами молибдена и получили изображение с рекордным разрешением - 0,39 Å.
"Практически мы создали самую маленькую в мире линейку", - объясняет Сол Грюнер (Sol Gruner), один из авторов эксперимента. На полученном снимке удалось разглядеть атомы серы с рекордным разрешением 0,39 Å. Причем удалось даже разглядеть место, где одного такого атома не хватает (указано стрелочкой).
Атомы серы в рекордном разрешении
